Scherfestigkeitseigenschaften von Basaltfasern

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 15923 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Löss besitzt die Eigenschaften der Kollabierbarkeit, Desintegration und Löslichkeit, die eine Herausforderung für den Ingenieurbau darstellen. Um die Scherfestigkeit von basaltfaserverstärktem (BFR) Löss zu untersuchen, wurden konsolidierte undrainierte (CU) triaxiale Tests durchgeführt, um die Auswirkungen von Wassergehalt (w), Faserlänge (FL), Fasergehalt (FC) und Zelldruck zu untersuchen ( σ3) von der Scherfestigkeit. Basierend auf den Ergebnissen wurde das Scherfestigkeitsmodell unter Berücksichtigung der Auswirkungen von FL, FC und Faserdurchmesser (d) erstellt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Spitzenfestigkeit von BFR-Böden mit zunehmendem FL, FC und σ3 zunahm, wohingegen sie mit zunehmendem w abnahm. Im Vergleich zu unverstärktem Boden verbesserte sich die Spitzenfestigkeit von BFR-Löß um 64,60 %, wenn FC 0,2 % und FL 16 mm betrugen. Der optimale Verstärkungszustand für experimentellen Löss war, dass FL 16 mm und FC 0,8 % betrugen. Der Verstärkungsmechanismus der Fasern wurde in einen einzelnen Zugeffekt und einen räumlichen Netzeffekt unterteilt. Die experimentellen und berechneten Ergebnisse stimmten gut überein, was darauf hindeutet, dass das Modell zur Vorhersage der Scherfestigkeit von BFR-Löß geeignet ist. Die Forschungsergebnisse können als Leitfaden für die Anwendung von BFR-Löß im Planums- und Böschungsbau dienen.

Löss ist ein quartäres Sediment, das im Nordwesten Chinas weit verbreitet ist1. Mit der Entwicklung der „Belt and Road Initiative“ wurden in großer Zahl moderne Transporteinrichtungen wie Autobahnen und Hochgeschwindigkeitsbahnen gebaut2,3,4. Allerdings führen die strukturellen Eigenschaften von Löss, wie z. B. Porösität, schwache Zementierung und unzureichende Verdichtung, zu Kollabierbarkeit, Zerfall und Löslichkeit, was eine Herausforderung für den Ingenieurbau darstellt5. Die Faserverstärkungsmethode (FR) liefert eine Idee zur Lösung technischer Probleme, und die Fasern begrenzen die Verformung von Bodenpartikeln durch die Zugkraft und Reibungskraft, was zu hervorragenden mechanischen Eigenschaften des verstärkten Bodens führt6,7. Ibraim et al.8,9,10 kamen zu dem Schluss, dass die Verdichtungsenergie von losem faserverstärktem Sand geringer ist als die von dichtem, unverstärktem Sand, wenn die Spitzenfestigkeit konstant bleibt. Durch die faserverstärkte Methode kann das Verflüssigungspotenzial von Sand bei Druck- und Dehnungsbelastungen deutlich reduziert werden. Es wurde eine neue Probenahmemethode für faserverstärkten Sand vorgeschlagen und bewertet, bei der die Vibration feuchter Sand-/Fasermischungen zum Einsatz kommt. Reza Tabakouei et al.11 gaben an, dass der Fasertyp, die Faserlänge und der Probendurchmesser die uneingeschränkte Druckfestigkeit von faserverstärktem Sandboden bestimmen. Sharma und Kumar12 berichteten, dass die relative Dichte die endgültige Tragfähigkeit und Setzung von faserverstärktem Sand erheblich beeinflusst und dass der Verbesserungseffekt sein Maximum erreichte, wenn die relative Dichte 70 % betrug. Festugato et al.13 berichteten, dass der Einschluss von Polypropylenfasern den dichten Sand unter zyklischer Belastung steifer machte als den unverstärkten Sand. Choobbasti et al.14 kamen zu dem Schluss, dass Polyvinylalkoholfasern die Scherfestigkeit und die axiale Dehnung beim Versagen von Babolsar-Sand verbessern können, während sie die Lössfestigkeit nach der Spitzenfestigkeit verringern. Soriano et al.15 entdeckten, dass die Porosität von faserverstärktem Sand in der Nähe der Fasern zunahm, was die Annahme eines gestohlenen Hohlraumanteils bestätigte. Mandolini et al.16 gaben an, dass die Faserfestigkeit durch den Zugspannungsbereich und die Faserorientierungsverteilung bestimmt wird.

Für tonhaltige Böden kamen Abdi et al.17 zu dem Schluss, dass Polypropylenfasern die Kompression, Festigkeit und Duktilität von Ton-Kalk-Verbundwerkstoffen erhöhen können. Hejazi et al.18 berichteten, dass der Fasergehalt, der Faserdurchmesser und das Faserseitenverhältnis die Scherfestigkeit von faserverstärktem Boden beeinflussten. Abbaspour et al.19 zeigten, dass die Altreifen-Textilfasern die mechanischen Eigenschaften von expansivem Boden verbessern können und die Quellverformungen um 44 % reduziert wurden. Consoli et al.20,21 berichteten, dass das Verhältnis von Porosität und Zement eine entscheidende Rolle bei der Bewertung der uneingeschränkten Druckfestigkeit von faserverstärkten Boden-Kalk-Verbundwerkstoffen spielte. Darüber hinaus war die Zugabe von Glasfaser unwirksam, um die Volumenspannung von faserverstärktem, sulfatreichem Dispersionsboden abzuleiten. Tamassoki et al.22 gaben an, dass ein Gehalt an Aktivkohle und Kokosfaser von 3 % die Druckfestigkeit erheblich verbessern kann, während ein Gehalt von 2 % die Scherfestigkeit von lateritischem Boden deutlich verbessern kann. Soleimani-Fard et al.23 zeigten, dass diskret verteilte Fasern die Scherfestigkeit, Druckfestigkeit und hydraulische Leitfähigkeit von faserverstärktem feinkörnigem Boden deutlich verbessern können. Malekzadeh und Bilsel24 berichteten, dass die Zugabe von Polypropylenfasern das Quell-Schrumpfen von ausgedehntem Boden erheblich verringern und die Schrumpfungsgrenze um mehr als 50 % erhöhen kann. Phanikumar und Singla25 gaben an, dass das Quellpotenzial und der Quelldruck von Nylonfaser-verstärktem expansivem Boden mit zunehmender Faserlänge abnahmen und die sekundären Verfestigungseigenschaften bei faserverstärktem Boden deutlich zunahmen. Wang et al.26 kamen zu dem Schluss, dass die Druck- und Zugfestigkeit von Kollabierlöss mit zunehmendem Glasfasergehalt (FC) zunächst zunimmt und dann abnimmt. Huang et al.27 fanden heraus, dass FR die Festigkeit von umgestaltetem Löss deutlich steigern kann. Gleichzeitig nahm der Druckmodul mit zunehmendem FC zunächst zu und dann ab, und der optimale FC betrug 0,6 %. Xu et al.28 erklärten, dass der Schadensdeviatorstress von Basalt-FR (BFR)-Löss zunächst zunahm und dann mit steigendem FC abnahm, und dass der optimale FC 0,6 % betrug. Zhu et al.29 fanden heraus, dass die optimale Bedingung für die uneingeschränkte Druckfestigkeit (UCS) von Polypropylen-FR-Löß mit Faserlänge (FL) und FC 12 mm bzw. 0,5 % betrug. Die optimale Bedingung für den Verformungsmodul lag bei 12 mm FL und 0,3 % FC. Zuo et al.30 wandten eine Verbundmethode zur Modifizierung des Bodens an und kamen zu dem Schluss, dass die Druckfestigkeit und Flexibilität von Löss effektiv verbessert wurden und die optimalen Bedingungen 1,5 % Xanthangummi und 0,6 % Basaltfasern waren. Lu et al.31 erklärten, dass sich die Scherfestigkeitsindizes von Polypropylen-FR-Löß um 113,8 % bzw. 23,3 % erhöhten, während die Zerfallsrate um fast 87,5 % abnahm. An et al.32 beobachteten, dass die Durchlässigkeitsfähigkeit von Polypropylen-FR-Boden deutlich zunahm und die schützende Wirkung des Lösshangs offensichtlich war. Dong et al.33 fanden heraus, dass die Festigkeit des Lignin-FR-Bodens mit zunehmendem Zelldruck (σ3) zunahm und die Spannungs-Dehnungs-Kurve mit steigendem FC von der Verhärtung zur Erweichung überging. Chu et al.34 stellten fest, dass die Festigkeit des FR-Bodens zunächst zunahm, dann mit zunehmendem FC abnahm und die Kohäsion deutlich zunahm. Xiong et al.35 beobachteten, dass die Kurven von BFR-Löß von Erweichung zu Verhärtung umgewandelt wurden und die Scherfestigkeitsindizes um 52,03 % bzw. 24,30 % verbessert wurden. Wang et al.36 kamen zu dem Schluss, dass Basaltfasern das Lösskriechen deutlich verbessern können und dass die Kriechverformung von BFR-Böden mit zunehmendem σ3 abnahm. Hu et al.37 stellten fest, dass die Kohäsion von FR-Löß mit steigendem FC zunächst zunimmt und anschließend abnimmt, und dass der optimale FC in der praktischen Technik mindestens 0,2 % betragen sollte. Gao et al.38 fanden heraus, dass die UCS von Proben, die mit der verdünnten Mischmethode hergestellt wurden, besser geeignet war als die der direkten Mischmethode und die Wirkung von Lignin FC auf die UCS offensichtlicher war. Su und Lei39 wiesen darauf hin, dass Palmfasern die UCS von Löss deutlich verbessern können und dass der Einfluss der Trockendichte auf die Festigkeit signifikant ist, während der Einfluss von FL nicht signifikant ist. Chen et al.40 erklärten, dass sich der dynamische Schermodul von Löss mit steigendem Flugaschegehalt und Zelldruck deutlich vergrößerte, wohingegen das Dämpfungsverhältnis mit zunehmendem Flugaschegehalt und σ3 abnahm. Yang et al.41 fanden heraus, dass die Polypropylenfasern den zementmodifizierten Löss von spröde in plastische Schäden verwandeln können, und dass die Fasern eine Brückenfunktion spielten. Die optimalen Verstärkungsbedingungen waren 0,30–0,45 % FC und 12 mm FL.

Basaltfaser ist ein grüner anorganischer Verbundwerkstoff mit hoher Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und keiner Umweltverschmutzung, der gute Anwendungsaussichten in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Fertigung und Bauingenieurwesen bietet. Um die Wirksamkeit der basaltfaserverstärkten Methode zu validieren und ein Scherfestigkeitsmodell für BFR-Löß zu erstellen. Basierend auf dem konsolidierten Undrained-Test (CU) wurden die Auswirkungen des Wassergehalts (w), FL, FC und σ3 analysiert und der verstärkte Mechanismus durch die Löss-Mikrostruktur mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) aufgedeckt. Darüber hinaus wurde ein Scherfestigkeitsmodell von BFR-Löß unter Berücksichtigung der Auswirkungen von FL, FC und Faserdurchmesser (d) erstellt. Die Ergebnisse können einen guten Leitfaden für die Anwendung von BFR-Böden bieten.

Der Löss wurde aus Yan'an (Shaanxi, China) auf einer Baustelle mit einer Tiefe von 2,5 m gewonnen, und Tabelle 1 listet die Grundparameter des Lösses auf. Es kann festgestellt werden, dass experimenteller Löss die Eigenschaften eines niedrigen Wassergehalts und eines großen Hohlraumanteils aufweist, der als schlammiger Ton klassifiziert werden kann. Bei Ingenieurbauten muss das Lössfundament im Allgemeinen verfestigt werden, um die Tragfähigkeit zu verbessern und die Setzung zu reduzieren.

Basaltfasern wurden von Shijiazhuang Zhuzhong Technology Co., Ltd (Hebei, China) gekauft. Der Durchmesser und die Dichte der Basaltfasern betrugen 10 μm und 2,65 g/cm3, die Zugfestigkeit betrug fast 4000 MPa und der Elastizitätsmodul erreichte 100 GPa.

Während der Probenvorbereitung wurde der umgeformte Löss zunächst zerkleinert und anschließend mit einer 2-mm-Grillplatte gesiebt. Die Probendichte wurde auf 1,45 g/cm3 eingestellt. Die Basaltfasern werden in fadenförmige Fasern zerlegt und die festgelegte Länge und der festgelegte Fasergehalt werden mit einem Elektromixer gleichmäßig mit trockener Erde vermischt, um eine gleichmäßige Verteilung der Fasern sicherzustellen. Anschließend wurde eine bestimmte Menge Wasser zu der Mischung aus faserverstärktem Boden gegeben und für 24 Stunden in einen Glasbehälter gegeben. Die Probengröße betrug 50 mm (Durchmesser) × 100 mm (Höhe) und wurde in fünf Ebenen hergestellt.

Um die Scherfestigkeitseigenschaften von BFR-Boden zu untersuchen, wurden die CU-Experimente mit einem triaxialen Instrument durchgeführt. Gemäß der Norm für Bodentestmethoden (GB/T 50,123–2019)42 wurden die Tests mit einer Dehnungsrate von 0,5 %/min durchgeführt und bei 20 % axialer Dehnung beendet. Tabelle 2 listet das Testprogramm auf, es wurden 102 Gruppenexperimente durchgeführt. Der Sättigungsgrad entsprach 9 % w und 13 % w und betrug 28,95 % bzw. 41,82 %.

Der Wassergehalt hatte einen größeren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Löss, während sein Einfluss auf die FR-Böden weiterer Untersuchungen bedarf. Abbildung 1 zeigt die Spannungs-Dehnungs-Kurven von BFR-Boden mit FL von 4 mm, 8 mm, 12 mm und 16 mm unter 25 kPa σ3. Der Spitzendeviatorstress nahm mit zunehmendem w ab, und die Spitzenfestigkeit von BFR-Löss ist höher als die von Löss, was mit Referenz übereinstimmt43. Beim unverstärkten Löss verringerte sich die Spitzenfestigkeit um 31,65 % bei 13 % W im Vergleich zu 9 % W bei 4 mm FL. Bei den BFR-Böden verringerte sich die Spitzenfestigkeit um 20,38 % bzw. 12,93 % bei 13 % Gew. im Vergleich zu 9 % Gew. bei 0,2 % bzw. 0,6 % FC. Der Unterschied der deviatorischen Spannung zwischen 9 und 13 % w bei 0,2 % FC war deutlich größer als der bei 0,6 % FC. Der Hauptgrund dafür ist, dass Fasern die Festigkeit verbessern können, indem sie die Verformung von Bodenpartikeln durch Zug- und Reibungskraft begrenzen, und der Verstärkungseffekt bei hohem FC deutlich größer war als bei niedrigem FC. Daher nahm der Unterschied der deviatorischen Belastung zwischen 9 und 13 % w mit steigendem FC ab.

Einfluss von w auf Spannungs-Dehnungs-Kurven (a) FL = 4 mm; (b) FL = 8 mm; (c) FL = 12 mm; (d) FL = 16 mm.

Abb. 2 zeigt die Spannungs-Dehnungs-Kurven von BFR-Boden mit w von 9 % und FC von 0,2 %, 0,4 %, 0,6 % und 0,8 % unter 25 kPa σ3. Die Kurven des Lösses zeigten eine Dehnungserweichung, während der BFR-Löß eine Dehnungsverfestigung aufwies44. Der Spitzendeviatorstress des BFR-Bodens nahm mit zunehmendem FL zu. Im Vergleich zu unverstärktem Boden stieg die Spitzenfestigkeit mit FC von 0,2 % und FL von 4 mm, 8 mm, 12 mm und 16 mm um 17,21 %, 28,97 %, 40,45 % bzw. 64,60 %. Der Hauptgrund liegt darin, dass die Fasern zufällig und gleichmäßig zwischen den Bodenpartikeln verteilt sind und einen Verbund bilden, der die Belastung gemeinsam trägt, was zu einer deutlich verbesserten Scherfestigkeit von BFR-Löß führt. Mit zunehmendem FL erhöhen sich die Berührungspunkte zwischen Fasern und Bodenpartikeln, was zu einer Verbesserung des Ankereffekts führt. Der Rückhalteeffekt zwischen den Bodenpartikeln wird durch die Dehnung und flexible Beschränkung durch die Fasern verstärkt45.

Einfluss von FL auf Spannungs-Dehnungs-Kurven (a) FC = 0,2 %; (b) FC = 0,4 %; (c) FC = 0,6 %; (d) FC = 0,8 %.

Abb. 3 zeigt die Spannungs-Dehnungs-Kurven von BFR-Löß mit w von 9 % und FL von 4 mm, 8 mm, 12 mm und 16 mm unter 25 kPa σ3. Die Spitzenfestigkeit von BFR-Löß nahm durch Erhöhung des FC allmählich zu, was mit den Ergebnissen von Referenzen übereinstimmt46. Im Vergleich zu Löss, dem BFR-Boden mit FL von 4 mm und FC von 0,2 %, 0,4 %, 0,6 % und 0,8 %, stieg die Spitzenfestigkeit um 17,21 %, 27,55 %, 42,73 % bzw. 60,66 %. Der Hauptgrund für die Erklärung des Phänomens besteht darin, dass mit zunehmendem FC die Faserzahl zunahm, was zu mehr Kontaktpunkten zwischen Fasern und Bodenpartikeln führte. Dank der Fasern kann die Verformung von Bodenpartikeln durch die Verankerungswirkung begrenzt werden, was zu einer verbesserten Probenfestigkeit führt und Probenschäden verhindert22,23.

Einfluss von FC auf die Spannungs-Dehnungs-Kurven (a) FL = 4 mm; (b) FL = 8 mm; (c) FL = 12 mm; (d) FL = 16 mm.

Mit zunehmender Einbettungstiefe nahm der σ3 des Bodens zu. Abbildung 4 zeigt die Spannungs-Dehnungs-Kurven von BFR-Löß mit w von 9 % und FL von 4 mm, 8 mm, 12 mm und 16 mm. Die Spitzenfestigkeit nahm mit zunehmendem σ3 zu, was darauf hindeutet, dass die Festigkeit mit der Einbettungstiefe zunahm, was mit den Ergebnissen der Referenz47 übereinstimmt. Der BFR-Löss mit FL und FC betrug 4 mm und 0,2 %, die Spitzenfestigkeit erhöhte sich um 61,70 % und 173,81 % unter 50 kPa und 100 kPa σ3, verglichen mit der unter 25 kPa σ3. Verglichen mit der Festigkeit von BFR-Boden unter 25 kPa σ3 stieg die Spitzenfestigkeit um 79,94 % und 211,01 % unter 50 kPa bzw. 100 kPa σ3 bei einem FC von 0,6 %. Der Hauptgrund liegt darin, dass mit zunehmendem σ3 die Einspannung der Partikel zunahm und die Verankerungswirkung der Fasern durch Bodenpartikel verstärkt wurde, wodurch Probenschäden aufgrund der hohen Zugfestigkeit der Fasern verhindert wurden, was zu einem Anstieg der deviatorischen Spitzenspannung führte und dies steht im Einklang mit den experimentellen Ergebnissen von mit Zementfasern behandeltem Sand48.

Einfluss von σ3 auf die Spannungs-Dehnungs-Kurven (a) FL = 4 mm; (b) FL = 8 mm; (c) FL = 12 mm; (d) FL = 16 mm.

Die Mikrostruktur von BFR-Löß wurde mittels REM gemessen, wie in Abb. 5 aufgeführt. Wie in Abb. 5a gezeigt, basiert die Faserverstärkung hauptsächlich auf dem Einzelzugeffekt. Die Faser war von einer Vielzahl von Bodenpartikeln umhüllt. Der gegenseitige Diastrophismus wurde unter Scherbelastung infolge hoher Zugfestigkeit erzeugt. Darüber hinaus wird die Grenzflächenkraft durch das Herausziehen der Fasern erzeugt und hängt hauptsächlich von der Grenzflächenreibung und -adhäsion ab. In der Zwischenzeit wurde die zurückhaltende Wirkung der Fasern auf Bodenpartikel im Biegeteil erzeugt, wenn sie einer Auszugskraft ausgesetzt waren, wodurch die Bodenverformung begrenzt und die Scherfestigkeit verbessert wurde. Wie in Abb. 5b dargestellt, basiert die Faserverstärkung hauptsächlich auf dem räumlichen Netzstruktureffekt. Viele Fasern wurden zufällig verteilt und zu einer Netzstruktur verwoben. Wenn eine der Fasern einer Zugkraft ausgesetzt ist, zieht sie die anderen Fasern und bildet eine räumliche Kraftstruktur, wodurch die lokale Belastung auf einen größeren Bereich übertragen wird, was die Zugwirkung der Fasern weiter verbessert49. Darüber hinaus unterteilten Zhang et al.50 den Verstärkungsmechanismus in einen Biegemechanismus und einen Verflechtungsmechanismus. Der Biegemechanismus bezog sich auf Fasern, die aus zahlreichen Biegungen und fast keinen geraden Teilen bestehen. Bei der Auszugsbelastung des Faserlagers wurde durch die Faserbiegung Reibung erzeugt. Der Verflechtungsmechanismus bezog sich auf die Verflechtungspunkte der Fasern, um eine räumliche Kraftstruktur zu bilden, um die Verschiebung zu begrenzen und die Gesamtfestigkeit zu erhöhen. Liu et al.51 kamen zu dem Schluss, dass der Verstärkungsmechanismus aus der Grenzflächenfestigkeit, nämlich Reibung und Kohäsion, resultiert. Darüber hinaus hängt die Grenzflächenreibung hauptsächlich vom Einfluss der Partikelform, der Partikelabstufung, des Grenzflächenreibungskoeffizienten und der effektiven Kontaktfläche ab. Die Grenzflächenkohäsion hängt hauptsächlich vom Einfluss toniger Partikel, des natürlichen Zements und der Wechselwirkungsreibung ab.

REM-Bilder von BFR-Löß (a) Einzelzugeffekt; (b) Räumliche Netzstruktur.

Die Scherfestigkeitsindizes von unverstärktem Löss und BFR-Löß sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Abbildung 6a,b zeigt den Einfluss von FL auf die Scherfestigkeitsindizes von BFR-Löß mit w von 9 %. Die Kohäsion des verstärkten Bodens nahm mit zunehmendem FL zu, während sich der innere Reibungswinkel unwesentlich änderte. Als FL bei 0,8 % FC von 4 auf 8 mm anstieg, zeigte der innere Reibungswinkel einen abnehmenden Trend. Der Hauptgrund liegt darin, dass bei einer Verteilung der Faserbiegung während der Bodenpartikel die Zugfestigkeit und die Reibungskraft nicht vollständig dargestellt werden können, wodurch der innere Reibungswinkel mit zunehmendem FL abnehmen kann. Bei einem FC von 0,8 % erhöhte sich die Kohäsion des BFR-Bodens um 5,3 kPa, 16,1 kPa, 18,7 kPa und 24,8 kPa mit FL von 4 mm, 8 mm, 12 mm bzw. 16 mm. Abbildung 6c,d zeigt den Einfluss von FC auf die Scherfestigkeitsindizes von BFR-Löß mit w von 9 %. Insgesamt nahm die Kohäsion des BFR-Bodens mit steigendem FC zu, während der innere Reibungswinkel kaum schwankte. Die Kohäsion änderte sich zwischen 0,2 % und 0,4 % FC nicht signifikant, was darauf hindeutet, dass der Verstärkungseffekt bei niedrigem FC nicht erkennbar war.

Einfluss von FL und FC auf die Scherfestigkeitsindizes (a) Einfluss von FL auf die Kohäsion; (b) Einfluss von FL auf den inneren Reibungswinkel; (c) Wirkung von FC auf den Zusammenhalt; (d) Einfluss von FC auf den inneren Reibungswinkel.

Der Verstärkungsmechanismus von BFR-Löß wird durch einen einzelnen Spannungseffekt und eine räumliche Struktur gesteuert, die ein Krafttransformationssystem bilden, um die Belastung gemeinsam zu tragen. Gemäß den oben genannten Forschungsergebnissen und unter Berücksichtigung des Dimensionseffekts wird angenommen, dass die Kohäsion des cFR des verstärkten Bodens eine Funktion von FL, FC und d ist.

Dabei stehen cFR und c0 für den Zusammenhalt von BFR-Löß bzw. unverstärktem Löss, FL ist die Faserlänge, FC ist der Fasergehalt und d ist der Faserdurchmesser.

Gleichung (1) kann ausgedrückt werden als:

Durch die Darstellung der experimentellen Ergebnisse als Kurven von cFR/c0 gegenüber FL*FC/d wurde festgestellt, dass cFR/c0 mit zunehmendem FL*FC/d tendenziell zunimmt und eine nahezu lineare Beziehung aufwies, sodass angenommen wird, dass dies der Fall ist

wobei die Parameter a und b der Achsenabschnitt und die Steigung der Anpassungskurve sind.

Im Vergleich zu unverstärktem Boden variierte der innere Reibungswinkel mit zunehmendem FL und FC geringfügig, so dass angenommen wird, dass dies der Fall ist

wobei φFR und φ0 der innere Reibungswinkel von BFR bzw. unverstärkten Böden sind.

Basierend auf der Mohr-Coulomb-Theorie kombiniert Gl. (1) mit Gl. (4) gewonnen

Dabei ist τFR die Scherfestigkeit des BFR-Bodens und σ die Spannung.

Nimmt man Gl. (3) und Gl. (4) in Gl. (5) haben wir erhalten

Nach Gl. (6) Wenn die Parameter c0, φ0, FL, FC und d bekannt sind, können die unbekannten Parameter (a, b) mithilfe der Anpassungsmethode erhalten werden.

Die Abb. 7 zeigt die Anpassungskurven der Kohäsion von BFR-Löß mit 9 % und 13 % Gew. Der Wert von cFR/c0 stieg mit zunehmendem Wert von FL*FC/d linear an, und der ermittelte Koeffizient der Anpassungskurven erreichte 0,946 und 0,943 mit 9 % bzw. 13 % w, was auf eine Korrelation zwischen der horizontalen und der vertikalen Achse hinweist Achse war gut und kann durch eine lineare Gleichung ausgedrückt werden. Insgesamt wurden unter Berücksichtigung des Achsenabschnitts a und der Steigung b der Anpassungskurven mit 9 % und 13 % w die Parameterwerte zu a = 1,0 und b = 0,2 ermittelt.

Anpassungskurven der Kohäsion (a) w = 9 %; (b) w = 13 %.

Da die Parameterwerte von c0, FL, FC und d bekannt waren, kann die Kohäsion von BFR-Löß cFR durch Einsetzen der Modellparameter a und b in Gleichung erhalten werden. (3) und τFR kann durch Einsetzen der Parameter a und b in Gleichung erhalten werden. (6). Abbildung 8a,b zeigt den Vergleich der Kohäsion zwischen experimentell und vorhergesagt. Es lässt sich feststellen, dass die Kohäsionsdaten auf beiden Seiten der Parallelen relativ gleichmäßig verteilt waren. Abbildung 8c,d zeigt den Festigkeitsvergleich des BFR-Bodens zwischen experimentell und vorhergesagt. Es lässt sich feststellen, dass die Scherfestigkeitsdaten im Vergleich zu den kohäsiven Daten konzentrierter und auf beiden Seiten der Parallelen verteilt waren, was darauf hinweist, dass die vorhergesagten Scherfestigkeitsergebnisse besser mit den Versuchsergebnissen übereinstimmten. Basierend auf dem Vergleich von Kohäsion und Scherfestigkeit stimmten die vorhergesagten Werte und die Testwerte gut überein, was darauf hindeutet, dass das Modell zur Vorhersage der Kohäsion und Scherfestigkeit von BFR-Löß geeignet ist.

Vergleich der Kohäsionsergebnisse und der Scherfestigkeitsergebnisse zwischen gemessenen und vorhergesagten (a) den Kohäsionsergebnissen für w = 9 %; (b) die Kohäsionsergebnisse für w = 13 %; (c) die Scherfestigkeit ergibt sich für w = 9 %; (d) die Scherfestigkeit ergibt sich für w = 13 %.

Gemäß konsolidierter undrainierter Tests wurden die Auswirkungen von Wassergehalt (w), Faserlänge (FL), Fasergehalt (FC) und Zelldruck (σ3) auf die Scherfestigkeit von basaltfaserverstärktem (BFR) Löss untersucht. Die Mikrostruktureigenschaften von BFR-Löß wurden durch REM-Tests ermittelt, um den Verstärkungsmechanismus von Basaltfasern aufzudecken. Darüber hinaus wurde ein Scherfestigkeitsmodell unter Berücksichtigung von Fasereinflüssen erstellt und verifiziert. Die wichtigsten Schlussfolgerungen wurden wie folgt gezogen:

(1) Die Spitzenfestigkeit nahm mit zunehmendem w ab und der BFR-Löß war im Vergleich zu unverstärktem Löss deutlich verändert. Die Spitzenfestigkeit verringerte sich um 20,38 % bei 13 % Gew. im Vergleich zu 9 % Gew. und einem FC von 0,2 %.

(2) Löss zeigte eine Verformungserweichung, während die BFR-Böden eine Verformungsverfestigung zeigten. Mit zunehmender FL nahm die Spitzenfestigkeit des BFR-Bodens zu. Im Vergleich zu unverstärktem Boden stieg die Spitzenfestigkeit von BFR-Löß um 17,21 %, 28,97 %, 40,45 % und 64,60 %, wobei FC 0,2 % betrug und FL sich von 4 auf 16 mm änderte.

(3) Mit zunehmendem FC nahm die Spitzenfestigkeit von BFR-Böden allmählich zu und nahm mit zunehmendem σ3 zu. Wenn FL 4 mm betrug und FC zwischen 0,2 % und 0,8 % variierte, stieg die Spitzenfestigkeit um 17,21 %, 27,55 %, 42,73 % bzw. 60,66 %.

(4) Der Verstärkungsmechanismus wurde durch einen einzelnen Spannungseffekt und eine räumliche Struktur gesteuert, die ein Krafttransformationssystem kombinierten. Wenn eine Faser einer Zugkraft ausgesetzt wird, zieht sie an den anderen Fasern, um ein Kraftumwandlungssystem zu bilden, das die Gesamtzugwirkung der Fasern weiter verbessert.

(5) Der optimale Verstärkungszustand für experimentellen Löss war, dass FL 16 mm und FC 0,8 % betrugen. Die vorhergesagten Ergebnisse und die Testergebnisse stimmten gut überein, was die Zuverlässigkeit bestätigte und zeigte, dass das Modell geeignet ist, die Scherfestigkeit von BFR-Löß vorherzusagen.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Diese Studie wurde vom Natural Science Basic Research Program der Provinz Shaanxi (2021JM-535, 2023-JC-QN-0277 und 2023-JC-QN-0322), dem Young Talent Fund der Association for Science and Technology in Shaanxi, China, unterstützt ( 20220719) und Sonderfonds für wissenschaftliche Forschung der Universität Xijing (XJ18T01 und XJ22B05).

Shaanxi Key Laboratory of Safety and Durability of Concrete Structures, Xijing University, Xi'an, 710123, Shaanxi, China

Chong-kun Chen, Gang Li, Yu Xi und Jing-jing Nan

Fakultät für Geologie und Geomatik, Chang'an-Universität, Xi'an, 710054, Shaanxi, China

Jia Liu

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CK.C. und GL initiierte die Studie. JL hat den Studienumfang entworfen. YX und J.-JN haben das Manuskript überprüft und bearbeitet.

Korrespondenz mit Gang Li.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Chen, Ck., Li, G., Liu, J. et al. Scherfestigkeitseigenschaften von basaltfaserverstärktem Löss. Sci Rep 13, 15923 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-43238-z

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Eingegangen: 15. Mai 2023

Angenommen: 21. September 2023

Veröffentlicht: 23. September 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-43238-z

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